將自主無人機用於派送包裹——或執行搜尋和救援任務——的一個大問題是天空複雜且不可預測。樹木、電線和螺旋飛行的橄欖球幾乎可能出現在飛行路徑的任何地方。一種躲避這些障礙的新策略可能來自一個意想不到的來源：蝙蝠擺動耳朵的方式。
弗吉尼亞理工大學機械工程教授 Rolf Mueller 幾年前在檢視蝙蝠照片時首次產生了這一想法。他注意到某些物種的耳朵通常看起來模糊不清，因為這些動物一直在快速地擺動耳朵。但這是為什麼呢？
Mueller 研究蝙蝠的行為，包括它們對多普勒效應或多普勒頻移的適應。這兩個術語都指的是來自快速移動物體（如火車或救護車）的聲波在物體接近聽者時被壓縮（因此音調更高）的方式。然後，當車輛遠離時，聲波再次拉長並變得音調更低。即使當火車或救護車不在視線範圍內時，人們也可以透過聲音的這些變化大致判斷出它在任何時刻的位置。蝙蝠以非常相似的方式使用多普勒頻移來定位物體，但精度要高得多。
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自 20 世紀 30 年代以來，科學家們就已知道，以昆蟲為食的蝙蝠在夜間穿梭時會發出陣陣聲音。它們利用反射的聲波來識別障礙物和鎖定獵物，這種能力被稱為回聲定位或生物聲納。20 世紀 60 年代的研究表明，蝙蝠還會解讀多普勒頻移，從飛行昆蟲反射回來的聲音中，以高精度鎖定獵物——即使在稠密的植被中以極快的速度機動飛行時也是如此。更令人印象深刻的是，即使它們的飛行運動在反射回來的聲波中產生了自身可能令人困惑的多普勒頻移，它們也能做到這一點。蝙蝠不會迷失方向，因為它們會調整發出叫聲的頻率來補償這種“壞”多普勒頻移。
“自從這些開創性的發現以來，科學界普遍認為，多普勒頻移在這些動物的生物聲納系統中的作用已被完全理解，”Mueller 說。但是，看著模糊耳朵蝙蝠的照片，他想知道快速的耳朵運動可能如何融入到複雜的畫面中。他和他的實驗室的博士生、合著者 Yin Xiaoyan 進行了兩種方法來測試耳朵是否真的能移動得足夠快以產生自身的多普勒頻移——以及這對於回聲定位可能意味著什麼。他們的研究結果已於本月發表在Proceedings of the National Academy of Sciences USA上。
首先，研究人員與經過訓練的馬蹄蝠和葉鼻蝠合作，在每隻耳朵上的 60 個點（集中在更靈活的外耳上）繪製了可見的斑點。然後，使用同步的高速攝像機和超聲波麥克風陣列，他們拍攝了每隻蝙蝠懸掛在棲木上，一個新物體經過時的情景。這證明了耳朵的運動速度足夠快，可以產生多普勒頻移，這些頻移在蝙蝠可以輕鬆感知的範圍內，並且這些頻移與傳入的回聲同步。此外，每隻耳朵都獨立移動，並且每隻耳朵的各個部分在不同的時間變形——“因此，在每個時間點，蝙蝠都在用不同的耳朵形狀聆聽，”Mueller 說。他和 Yin 將此解釋為意味著蝙蝠正在產生“良好”的多普勒頻移來改變傳入的聲音，從而獲得關於生物聲納目標行進方向的更準確資訊。為了進一步驗證這個想法，兩位研究人員用矽材料開發了一個人工馬蹄蝠耳朵，並配備了稱為“快速致動器”的裝置，這些裝置以與蝙蝠相同的方式移動耳朵的不同部分。這些運動也為傳入的聲音增加了多普勒頻移。
那麼，這一切與無人機有什麼關係呢？Mueller 說，即使是正在開發的最新版本，“與蝙蝠相比，也幾乎都是笨拙的，”特別是如果你“希望無人機能夠進入茂密的植被”（例如，進行林業工作或搜尋和救援任務）。他和 Yin 已經設計了他稱之為無人機“蝙蝠帽”的東西——一種發射超聲波訊號並具有兩個可移動“耳朵”來記錄回聲定位的裝置。到目前為止，他們只通過手工或滑索在森林中移動該裝置進行了實驗。“我的職業夢想，”Mueller 說，“是擁有一架在自然環境中具有與蝙蝠相同敏捷性的無人機。”
約翰·霍普金斯大學的神經生物學家 Melville J. Wohlgemuth 說：“我認為這非常聰明”，他在 2016 年對棕蝠的研究首次表明，蝙蝠使用頭部擺動和耳朵運動作為其捕獵過程的一部分。“人工聲納和雷達系統，以及用於自動駕駛汽車的這些自主系統，肯定可以透過我們從生物世界中學到的一些東西來改進。”他補充說，研究表明，“當我們感知世界時，我們非常積極地這樣做。我們不斷地移動我們的眼睛，正是這種運動使我們能夠以高解析度獲取資訊。”現在看來，蝙蝠使用耳朵的方式也是如此。Wohlgemuth 沒有參與這項新研究，他稱讚其發現“非常合理”，部分原因是 Mueller 在生物系統和工程學方面都具有背景。“他在這方面做得非常好，”Wohlgemuth 說。
耶魯大學電氣工程教授 Roman Kuc 說：“當我第一次聽到這篇論文時，我想，‘我不知道，’”他的工作也涉及該領域，並且沒有參與這項新研究。“他們提出的——耳朵運動引起多普勒頻移——不是我所期望的。為什麼這是可信的呢？”他認為，生物世界中的感覺機制通常看起來違反直覺。“工程師會告訴你他們想要最大化信噪比。蝙蝠的做法卻恰恰相反。它們將耳朵移到兩側，這意味著來自前方的聲音會減少。它們降低了信噪比，但提高了回聲定位能力。”現在看來，快速的耳朵運動是另一種違反直覺的技術：Kuc 說，蝙蝠發出的恆定訊號有利於檢測昆蟲的存在，但不一定有利於精確定位昆蟲。但是，當聲音返回到耳朵時，新增多普勒頻移使蝙蝠能夠以極高的精度跟蹤昆蟲的位置，即使昆蟲移動過去，甚至試圖躲避蝙蝠。“這篇文章，”Kuc 說，“揭示了回聲處理中一個相當有趣的複雜性。”
一種可能的結果：可以躲避空中危險並安全抵達每家每戶門口的多普勒頻移無人機。